钢结构体系在中式仿古建筑设计中的应用

引　言

材料与技术对于建筑的形式有着深刻的影响。不同于砖、木、石等传统材料，钢材只有在现代科技发展到一定程度后才有了在建筑领域中更广泛的应用。

钢材具有强度高、弹性好、延性好、高韧佳等良好的力学性能且冷弯性能、可焊性能均十分出色，可加工性强，同时它良好的耐热性和低廉的造价让它具有了更高的经济性。力学性能出色、可加工性强、经济性好这三大特质使得钢材在现代建筑领域有了更广泛的应用。

钢结构的构件样式丰富、结构形式多样。纤细、轻盈的构件，简洁、明确的结构逻辑体系提升了钢结构在建筑表现领域的可塑性。

钢结构建筑在被引入中国以后，伴随着我国改革开放后的大规模建设，在建筑界有了广泛的应用。随着人们对中国传统建筑越来越关注，钢结构开始被运用到中式仿古建筑中。但钢结构有别于中国古代传统的木质斗拱结构、砌体结构等体系，有着其独特的结构性能，故在形式上用钢结构直接照抄木结构、砌体结构等传统结构不可取。冯纪忠先生设计的方塔园北大门巧用了钢结构构件，与中式传统青砖相结合，为中国建筑界开了一个很好的先例。

● 方塔园北大门设计分析

改革开放以后，我国钢铁产量上升，钢结构建筑迅速发展，出现了一批轻钢结构厂房和民用建筑。方塔园北大门作为方塔园二期工程（1981~1987年）的一部分就是在这一时期设计和建造完成的。

方塔园位于上海市松江区，园内有宋塔1座，异地迁来的天妃宫1座，明代照壁1方。方塔园是一座带有博物馆性质的公园，由冯纪忠先生设计。

方塔园北大门作为博物公园的一部分，在建筑风格上应与园内宋塔等文物相配，但作为20世纪的设计产物，一味仿古并不可取，设计者不得不考虑将新时代技术与中国传统建筑风格结合起来。

出于经济性和建筑美学价值的考量，冯纪忠先生选择了钢材作为方塔园北大门的结构材料。用宽、高不一的两片屋顶效仿中国传统建筑中的歇山顶，但求神似而不求形似（图1）。

图1  北大门与中国传统歇山顶对比图

在结构体系上，方塔园北大门完全摒弃了传统中国建筑抬梁式、穿斗式结构，沿用了钢结构体系中常用的桁架结构构件。

● 方塔园北大门钢结构与中国传统木结构对比分析

▲ 方塔园北大门钢结构与中国传统木结构结构体系对比分析

中国古代木结构建筑中常见的结构体系主要包括抬梁式和穿斗式两种。其中，抬梁式木结构在北方出现得更多，主要用于宫殿、寺庙等大型建筑。通过抬梁式结构的力流分析可见，此种结构的主要逻辑是通过由下至上、层层堆叠、逐渐缩短的梁，获得中央高耸的空间，室内少柱甚至无柱，空间大、耗材多（图2）。

图2  抬梁式结构力流分析图

穿斗式木结构在南方出现得更多，在民居中的应用较为普遍。通过穿斗式结构的力流分析图（图3）可以看出，这种结构直接以柱承檩，压力直接从屋面通过柱传导到地面上，没有梁，仅以“穿逗架”连接柱网提高抗剪性能。相对于抬梁式木结构，穿斗式结构省工、省料，经济性强，但柱网过密，室内空间更小。在穿斗式木结构建筑中，需要获得较大的连续空间时会局部采用抬梁式结构。

图3  穿斗式结构力流分析图

方塔园北大门所采用的结构则完全摒弃了传统中国建筑中抬梁式和穿斗式结构（图4），采用了现代钢结构中常用的结构体系。通过纵横相交的桁架结构构件承载大片青瓦屋面，再以4根简单细柱承载桁架结构网络。

图4  方塔园北大门剖面设计图

北大门结构体系与中国传统抬梁式木结构层层堆叠，压力下传的结构逻辑截然不同； 它与穿斗式结构体系的柱网密布，“穿逗”相连的结构逻辑也有很大区别（图5）。

图5  方塔园北大门屋顶结构实景图

▲  方塔园北大门钢结构与中国传统木结构构件对比分析

在中国传统木结构建筑中，无论是要将上层的力流平稳地传到柱上，还是要获得较大的挑檐，都要使用斗拱这一构件。根据斗拱的力流分析图（图6），可以看出它的结构逻辑是通过层层堆叠的木构件将上层的力传到下层并最终通过柱将压力稳定地施加在地面上。斗拱通过充分利用木材的抗压性能、层层出挑的方式，弥补了细长木材抗弯性能的不足，确保了结构的稳定性。

图6  斗拱构件力流分析图

完全不同于中国传统的斗拱木构件，方塔园北大门采用了桁架构件传递屋顶的力流，利用桁架构件出色的抗弯性能，完成了较大的屋檐出挑。冯纪忠先生在设计北大门结构时充分考虑到了钢材本身的结构特性，采用新式桁架构件（图7），不盲目仿古。北大门屋顶细长的钢杆件脱离了传统木结构斗拱笨重的视觉印象，反而给人以竹构结构轻盈的感受。

图7  北大门结构构件图纸

冯纪忠先生在设计北大门的钢结构时完全放弃了在结构体系方面模仿中国传统木结构体系，而是根据钢材特有的材料性能，最终呈现出轻盈、简洁的结构形态，使北大门脱离了中国传统木结构的笨重之感，展现出现代建筑的灵动感。

结  语

在21世纪的中国，人们重燃“尊古、存古”之心。在设计领域，大量建筑有着仿古风格上的需求。而科技的发展、建造技艺的演变和经济性要求，使得直接用木材还原中国传统木结构的做法越来越难以为继。以钢材为首的轻盈、坚韧、高经济性新材料被大量用于我国仿古建筑的建造中。各地以钢筋混凝土为材，木制材料为装饰面的仿古建筑盛行，还出现了以钢材模仿木制斗拱的案例，力图在形态上尽力还原中国古代木结构的形象。但在建筑学审美逻辑下，进行结构设计时应当尊重材料本身的特性。冯纪忠先生设计的松江方塔园北大门钢结构案例，抛弃了传统木结构的做法，还原了钢材特点，在“尊古”的基础上发展出了新式建筑独有的特色，具有很高的建筑美学价值，为现代钢结构中式仿古建筑的发展指明了一条可能的道路。